自然界中的天然气水合物(以下简称水合物)是一种清洁的、储量巨大的非常规天然气资源,其安全、高效和可持续开采对于解决我国能源短缺、降低油气对外依存度、保障国家能源安全具有极其重要的战略意义。因此,水合物勘探开发已成为当前我国能源发展的重点方向之一。依托我国海域天然气水合物资源调查与评价和天然气水合物资源勘查与试采国家专项,原国土资源部中国地质调查局在南海北部陆坡评价圈定了6个水合物成矿远景区、19个成矿区带、25个有利区块、24个钻探目标区,初步评价认为南海北部水合物天然气资源量达185亿吨油当量。特别是广州海洋地质调查局先后在南海负责实施了四次水合物钻探,在神狐、东沙和琼东南海域发现了多种类型的高品位水合物储层,发现证实2个超千亿方级水合物矿藏,锁定了试采目标矿体,取得了一系列重大找矿成果。在2017年5月,又实施了全球首次粉砂质水合物储层试采工程,令世界瞩目。可见,我国水合物研究已经从勘查评价阶段进入了试采和商业开发先导阶段。水合物开发离不开钻井。勘探钻井取心和开发钻井采气都会改变井周储层物性、温压条件、应力状态,从而诱发水合物分解、井壁失稳、储层沉降、出砂等井内安全问题,进而影响产水产气。因此,钻采条件下水合物储层动态响应特征决定了钻井规程、生产规程和防砂设计,是水合物钻采安全风险分析的基础。据此,本文采用数值模拟方法研究了我国南海水合物储层在整个钻采过程中热-流-固多场耦合作用下的储层物性、流体运移和应力应变响应规律,较为全面地评价了钻进及降压开采过程中的水合物分解、井壁稳定、开采潜能、地层沉降乃至井内出砂等情况,并进行了相应的敏感性分析。上述工作为全面厘清南海天然气水合物地层在钻采条件下的储层响应特性奠定了理论基础,为后续试采乃至商业开发提供了技术支撑。全文共分为六个章节,主要内容如下:第一章:首先简单介绍了天然气水合物,指出了天然气水合物研究的能源与环境意义,引出了论文研究的目的和意义,并对国内外天然气储层钻采研究现状进行了概括总结,分析了当前研究中存在的不足之处,最后描述了论文的主要研究内容以及技术路线。第二章:本章主要介绍了水合物储层多相、多组分流固模拟方法的实现过程,并对实际数值模拟操作流程进行了详细说明。重点介绍了TOUGH+HYDRATE和FLAC3D两款软件的基本原理,搭建了两者之间的耦合接口程序。最后,利用两款软件结合该耦合接口程序分别建立了日本南海海槽水合物试开采仿真模型以及墨西哥湾水合物储层开采预测模型,并将模拟结果与现场实测数据以及已经公开发表的文献资料进行了对比验证,说明了本方法和所建流程的可靠性。第三章:以2007年神狐海域水合物地层勘探井(SH2)为例,模拟研究了SH2站位钻井液侵入条件下的储层响应特性,尤其是井壁稳定问题,并与实际钻探过程进行了对比验证。在此基础上,研究了钻井泥浆侵入条件下,泥浆性能以及水合物地层物性对钻进时井周储层响应特性的影响。第四章:以2015年南海神狐海域W19站位水合物藏作为研究对象,研究了垂直井在套管射孔完井方案下的降压开采产能及相应的储层力学响应特征。在此基础上,较为系统地研究了井底压力、完井范围、地层渗透率以及孔隙度等参数对产能及其储层稳定性的影响规律。第五章:分析了套管射孔完井方案下,W19站位水合物藏采用水平井设计时的降压开采产能及相应的储层力学响应规律。同样,在此基础上,针对井底压力、井深布置、地层渗透率以及孔隙度等参数进行了一系列的敏感性分析。第六章:总结了论文研究中得出的主要结论和认识,并指出了本文研究中存在的不足之处以及今后的研究方向。通过上述研究工作,主要得出以下结论和认识:(1)一定条件下,水合物储层钻进过程中的井壁失稳主要归因于钻井液侵入导致的地层有效应力降低和水合物分解导致的地层强度下降。而井周有效应力降低主要源于井内高密度钻井泥浆侵入以及水合物分解释放出的游离气。增大钻井泥浆温度和盐度极易造成井周水合物剧烈分解,释放出大量的游离气,产生过孔隙水压力,同时也会造成井周地层强度下降,加剧井壁失稳。此外,在高密度钻井泥浆条件下,若井内泥皮形成不佳,反而会造成钻井液侵入加剧,井周水合物分解范围扩大,存在引发井壁失稳的可能。(2)在井周水合物分解并溶解于地层水条件下(无游离气),初始水合物饱和度和孔隙度对井壁稳定的影响主要取决于水合物饱和度降低所造成的地层强度下降,而并非是钻井泥浆侵入所导致的孔隙压力变化。相同条件下,井壁失稳风险会随着储层初始水合物饱和度和孔隙度的增加而降低。此外,渗透性储层在井壁形成低渗透性泥皮时能够更好地控制井周有效应力降低,从而更有利于维持井壁稳定。(3)由于W19站位地层渗透率较低,加之储层上下均为渗透性地层,使得采用垂直井和水平井降压开采效果都不太理想。而且降压开采还会导致井周地层出现有效应力集中,且井周水合物层饱和度越高,有效应力集中越明显。利用摩尔-库伦强度准则判别,发现地层应力集中虽未导致屈服破坏,但却会造成海底地层沉降,从而对套管固井作业和井口装置布设带来不利影响。(4)持续降低井底压力虽能够加速水合物分解,但增产效果并不明显,反而会增大井底产水速率,井周有效应力也进一步增大且应力集中程度更为明显,海底沉降变形也会随之加剧。虽然优化垂直井的完井层位或者调整水平井井深布置能够实现产能最大化,但受控于储层的低渗透特性,增产效果仍然较为有限,并会显著影响井周有效应力分布及海底沉降变形。(5)无论是采用垂直井还是水平井降压开采方案,增大水合物储层渗透率都会显著提高产能,但同时也会造成井底产水速率急剧增大,海底沉降变形加剧。轻微提高下伏游离气层渗透率能够加快下伏游离气的产出,且不会造成井底产水速率急剧增大。虽然改造增加下伏游离气储层渗透率会造成有效应力增加区域扩大,但就长期开采而言,反而会在一定程度上缓解海底沉降变形。(6)在其它参数取值相同时,无论是改变水合物层的初始孔隙度,还是下伏游离气层的初始孔隙度,其对垂直井和水平井降压开采产能及应力场的影响都甚微。